中空玻璃受热破裂行为规律研究

苏燕飞，王青松，赵 寒，邵光正，王 禹，孙金华（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）



中空玻璃受热破裂行为规律研究

苏燕飞，王青松＊，赵 寒，邵光正，王 禹，孙金华
（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

摘要：研究了单层玻璃厚度为6mm，两块玻璃间距为6mm的中空玻璃的受热响应规律，分析了向火面和背火面玻璃板的表面温度、玻璃板向火面中心点处的热通量、两块玻璃的破裂时间、裂纹形态以及玻璃脱落情况等。定义玻璃边长区域范围为［－0．5L，0．5L］，则玻璃首次起裂点均位于被遮蔽边上，且在［－0．25L，0．25L］的范围内。进一步研究了遮蔽方式对中空玻璃破裂行为的影响，在本实验条件下，四边遮蔽的向火面玻璃最易破裂，且左右垂直遮蔽比上下水平遮蔽情况下脱落程度严重。

关键词：中空玻璃；热荷载；热响应；破裂；遮蔽方式

0　引言

中空玻璃是由两层或者两层以上的玻璃组成，具有保温效果好等优点，在我国北方建筑中得到广泛应用。中空玻璃在热荷载作用下，尤其是在火灾情况下，各层玻璃很有可能依次或者几乎同时破裂甚至脱落，形成新的通风口和引燃点，加速或者扩大火势的发展，而脱落的玻璃碎片会给人员的逃生、疏散等带来巨大阻碍，从而造成更大的人身伤亡和财产损失。因此中空玻璃在热荷载作用下的破裂行为及其耐火性能的研究是建筑火灾安全的重要课题之一。

自Emmons［1］提出研究在火灾情况下玻璃破裂行为的重要性后，越来越多学者开展了相关研究。Shields［2，3］等人研究了在室内火灾情况下的普通中空玻璃的受热行为，得到玻璃温度及应力场和开裂时间等。Cuzzllo［4］和Pagni［4－6］在单层玻璃破裂程序BREAK1的基础上开发了适用于室内火灾以及城市／林野混合火灾的双层玻璃破裂模型，并将基于MathCAD的McBreak计算机代码植入上述模型中。后来Shields［7］等人在燃烧室中进行了玻璃受热的破裂行为研究，研究其在不同油盘尺寸下的破裂行为，并开发了一个简单的集总模型来预测玻璃对入射热通量的响应情况，得出了玻璃的完整性与其第一次开裂时间有关的结论。Huizinga［8］从实验及模拟两方面进行了双层中空及三层中空玻璃的破裂行为对比研究。Ni［9］等进行了由中空玻璃与夹胶玻璃组成的双层幕墙的火灾破裂行为实验研究。国内对中空玻璃的研究主要集中在对产品的改进、应用及节能上，对破裂行为研究较少［10，11］。因此本文针对中空玻璃受热破裂及脱落行为进行了研究，将有助于加深对中空玻璃破裂机理的认识，提高建筑物，尤其是大面积使用中空玻璃的幕墙及开阔大厅等建筑的防火安全设计水平，对制定人员逃生及灭火救援方案等也有重要的参考价值。

1　实验

实验装置主要由火源、玻璃及框架体系和测量系统构成，如图1所示。实验中采用了工程中常用的平面尺寸为600mm×600mm的中空玻璃，在厚度方向依次为6mm（玻璃板厚度）＋6mm（空气夹层厚度）＋6mm（玻璃板厚度）。为便于分析起裂点位置等参数，定义玻璃长宽尺寸均为L，边长区间长度为［－0．5L，0．5L］，其正负确定原则为在竖直两条对边的中点上方及水平两条对边中点右侧为正，竖直两条对边中点下方及水平两条对边的中点左侧为负，如图1所示。测量系统主要包括温度测量、热量测量和记录实验过程，实验使用K型热电偶测量温度、水冷热流计测量玻璃表面的热流、使用摄像机记录整个实验过程。

图1　实验简图Fig．1 The schematic of the experiments

实验采用500mm×500mm的方形油盘火源，能使玻璃表面均匀受热，且接近真实火灾情况，即整片玻璃均处于火灾环境中。为确保玻璃发生破裂，将油盘从距玻璃表面700mm按50mm依次递减进行了预实验。预实验结果表明，在500 mm× 500mm油盘火灾作用下，距中空玻璃表面700mm、650mm、600mm、550mm以及500mm处，仅能使向火面玻璃破裂，不能使背火面玻璃破裂，且向火面玻璃均未发生脱落。当火源和玻璃表面距离为450mm时，向火面和背火面玻璃均可破裂。因此，为研究火灾环境下中空玻璃的破裂行为规律，本研究选取火源中心线距中空玻璃表面的距离为450mm，玻璃下边缘距地面高度为200mm。水冷热流计所在位置与框架上的中空玻璃中心等高，距火源中心线550mm。摄像机摄像头中心点与玻璃竖直放置时的中心等高，水平高度为500mm。

工程实际中常用的玻璃幕墙按遮蔽方式主要可分为四边遮蔽、左右垂直遮蔽、上下水平遮蔽等。因此，本研究设计了3种遮蔽模式，包括四边遮蔽、左右垂直遮蔽和上下水平遮蔽三种安装方式，如图2所示。

图2　三种不同的遮蔽方式Fig．2 Three different shielding methods

图3　中空玻璃侧视横截面示意图（TC2－1和TC3－1是预置贴片热电偶，从向火面到背火面将两片玻璃的四个面分别编号为S1，S2，S3和S4）Fig．3 The schematic cross sectional view of hollow glass（TC2－1and TC3－1were preset thermocouples，and four surfaces of hollow glass were assigned as S1，S2，S3and S4from exposed side to back side）

由于实验具有一定的随机性，因此每种遮蔽模式至少实验3次，在实验过程中，共计开展了11组实验，其中4组为四边遮蔽，4组为上下水平遮蔽，3组为左右垂直遮蔽，如表1所示。除遮蔽方式不同外，其余实验条件保持一致，且玻璃边缘被框架遮蔽的宽度均为15mm。

实验所用中空玻璃由两块玻璃构成，因此，具有4个玻璃表面，如图3所示，自向火面至背火面分别使用S1、S2、S3和S4表示，其表面布置的热电偶分别表示为TCx－y，其中x为玻璃面序号，y为热电偶序号。实验中共布置13只热电偶，如图4所示，其中12只用来测量中空玻璃表面的温度，1只用来测量玻璃S1表面前方5mm处的空气温度。在四边遮蔽情况下布置12只热电偶，在上下水平遮蔽和左右垂直遮蔽情况下布置10只热电偶，其相应未遮蔽边缘布置1只热电偶。

表1　实验工况划分Table 1 The design of the experimental conditions

图4　各玻璃面板上热电偶分布图Fig．4 The distribution of thermocouples on each surface

2　结果和讨论

2．1 热通量随时间变化曲线

实验测得的距火源450mm处的热通量变化如图5所示。在点燃之后，热载荷强度逐渐增大。随着时间增加，由于火焰的跳动，导致热通量也随之波动，但热通量总体趋于稳定，并维持在25kW／m2附近。

2．2 玻璃温度随时间变化规律

图5　距500mm×500mm油盘450mm处的热通量曲线Fig．5 The heat flux curve measured at 450mm away from 500mm×500mm oil pan

点火后，玻璃的温度变化如图6所示，向火面未被遮蔽的测点TC1－1，TC1－2，TC1－3，TC1－4和TC1－5测得的温度值大于向火面被遮蔽的测点TC1－6，TC1－7，TC1－8和TC1－9。而TC1－1和TC1－2由于所在位置都平行于火源中心线，所以变化趋势基本一致。与TC1－1和TC1－2在同一条竖直线上的TC1－4，虽然位于中空玻璃的最下方，离油盘边缘也较近，但是由于羽流驱动，绝大部分热量被带到上方，较少的一部分热量用来加热TC1－4区域的玻璃，所以相对TC1－1和TC1－2，TC1－4的温度要偏低。中空玻璃S1、S2、S3和S4四个面中心处测点TC1－1，TC2－1，TC3－1和TC4－1呈现出由于玻璃板及中间空气层的存在导致的较明显的温度梯度。这里值得一提的是向火面上边缘被遮蔽处的热电偶TC1－6。由于上升羽流的作用，火源的热量大部分被带到了上方，虽然此处的热电偶TC1－6与玻璃之间垫了一定厚度的防火棉用来隔热，但是上升羽流通过缝隙对TC1－6区域的玻璃产生了一定的影响。由于火源的持续作用，使得TC1－6处温度持续增高。

2．3 遮蔽方式对脱落的影响

各安装方式实验条件下中空玻璃向火面和背火面破裂时间及脱落情况如表2所示。从表2中我们可以看出，四边遮蔽向火面玻璃首次开裂平均时间为88s，少于上下水平遮蔽工况下的126s和左右垂直遮蔽工况下的105s。而对于背火面玻璃，仅统计起裂情况，三种遮蔽方式下的首次开裂平均时间为496s、524s和422s。

四边遮蔽、左右垂直遮蔽及上下水平遮蔽这三种安装方式中，四边遮蔽情况下中空玻璃前后两片均未有脱落情况发生，而且向火面玻璃首次破裂用时低于另外两种安装方式，如表2所示。这是因为向火面玻璃出现破裂后，有些实验中甚至出现由裂纹交织成的“孤岛”，由于框架约束，玻璃碎片仍保持原位，或仅有较小缝隙，但并未脱落，不足以导致大量热量直接传输到背火面玻璃上，所以延迟了背火面玻璃直接受到火源辐射的时间。同样也是由于四边框架的约束作用，背火面玻璃在累积到足够大的温差或应力导致开裂以后，也很难发生玻璃碎片从四边遮蔽的框架中脱落的现象。

上下水平遮蔽工况下脱落最严重的一组向火面玻璃脱落49．1%，背火面玻璃脱落25．8%，而左右垂直遮蔽工况下脱落最严重的一组向火面玻璃脱落了55．4%，背火面玻璃脱落了96．6%，以上结果表明中空玻璃在上下水平遮蔽方式下比在左右垂直遮蔽情况下脱落程度较轻。这主要是因为在左右垂直遮蔽安装方式情况下，玻璃碎片不会受到水平方向边框的约束或支承，受玻璃本身重力的影响，一旦玻璃板有较大面积形成“孤岛”，就会出现大面积的脱落，进而影响火源对背火面玻璃的热辐射作用，加速背火面玻璃的温差及应力积累，最终导致背火面玻璃的开裂及脱落。而上下水平遮蔽安装方式中的玻璃板在开裂后，原本提供上下水平遮蔽作用的水平框架此时也给玻璃碎片提供了一定的支承或约束作用，即使玻璃碎片受到以重力为主导的作用力，也不会全部脱落。这延迟了向火面玻璃碎片脱落时间，同时也延迟了背火面玻璃直接受到火源辐射的时间。因此，相对于左右垂直遮蔽工况，上下水平遮蔽工况有较长的脱落时间和较小的碎片脱落比例。

图6　玻璃中心点及向火面温度随时间变化曲线图（实验编号E04）Fig．6 The temperature at the central point of all the glass surfaces and all the monitoring points on the exposed side vs time（Test E04）

表2　中空玻璃破裂参数Table 2 The experimental fracture values of hollow glass

对于E11中出现的背火面玻璃脱落程度大于向火面玻璃的情况，通过观察可以发现该组中空玻璃的向火面玻璃破裂以后，没有出现竖向的贯穿整个向火面玻璃的大裂纹，结果有一块玻璃被夹持在左右垂直约束良好的框架内，直到实验结束也没有脱落。虽然向火面存在一块面积较大的玻璃未脱落，但是来自火源的热量依然可以通过其它已脱落位置对背火面玻璃进行加热。贯穿竖向的大裂纹导致了背火面玻璃全部脱落。

对于四边遮蔽情况，向火面玻璃首次起裂点位于左右垂直两边受遮蔽区域；在上下水平遮蔽和左右垂直遮蔽情况下，首次起裂点位置分别位于上下水平被遮蔽区域和左右垂直被遮蔽区域，如表2所示。这是由于向火面玻璃在邻近火源的热辐射作用下，未被遮蔽区域升温较快，被遮蔽区域升温较慢，导致玻璃板内部温差和应力累积较快，结果最先达到最大温差或应力极限，导致玻璃的首次开裂。而背火面玻璃首次开裂的起裂位置，则没有出现这种规律。这是因为背火面玻璃在向火面玻璃没有较大面积脱落的情况下，接受到来自火源的直接作用比较有限，它的温差和应力累积没有直接受到火源的影响，因此首次开裂的位置较为随机。

向火面和背火面玻璃的首次起裂点一般位于被遮蔽边上［－0．25L，0．25L］的范围内，并没有出现在矩形玻璃的四个角附近。这主要是由于玻璃的四个角处于两条边的相交处，微单元所受的应力状态相似，各应力作用合成后互相抵消，不易出现较大的单向拉伸应力状态，所以裂纹很少从这四个角附近产生。而各边中部区域由于没有受到框架边缘的机械应力，应力状态则较为简单，玻璃作为脆性材料当受到的拉应力达到其应力极限后就随即开裂。

对于背火面玻璃未破的E03、E06和E09实验，它们的向火面各测点在向火面玻璃破裂时的最大温差165．7℃（同种工况下其他各组实验分别为134．5℃，126．1℃，125．4℃），160．1℃（同种工况下其他各组实验分别为114．7℃，127．5℃，112．2℃）和126．5℃（同种工况下其他各组实验分别为82．5℃，96．2℃）比同种工况下其他各组实验的偏差略大，如表3所示。

表3　三种遮蔽方式下向火面玻璃破裂时的部分参数Table 3 The experimental fracture values for the exposed glass broke under the three kinds of shaded modes

2．4 脱落过程中的形态变化

E08实验中，自点火起147s，向火面玻璃在下边缘起裂，延伸出数条裂纹。随后与上边缘中点起裂的数条裂纹交汇，并在339s发生脱落现象，如图7（a）所示。向火面玻璃在第401s、459s、526s时刻继续裂纹扩展，最终脱落成537s时刻所示的裂纹形态。当向火面玻璃处于537s时刻的形态时，由于向火面玻璃的大面积脱落，背火面玻璃能够接受到来自火源的直接热辐射，在550s时刻破裂并脱落，如图7（b）所示。随着火源对背火面玻璃的持续作用，背火面玻璃脱落成了564s时刻的最终形态，并一直保持到燃料燃尽。

2．5 脱落行为

数码摄像机记录了玻璃从开裂发生到脱落的整个过程，E08组实验的脱落比例随时间的变化情况如图8所示。向火面玻璃在339s首次脱落了5．8%，401s时脱落比例为8．8%，459s时脱落比例为13．3%，到537s脱落比例达到最大值49．1%。结合图7（a）可以发现，向火面玻璃首次起裂后初期

表4　三种遮蔽方式下背火面玻璃破裂时的部分参数Table 4 The experimental fracture values for the back glass broke under the three kinds of shaded modes

的裂纹贯穿了整片向火面玻璃，形成了大小不一、形状各异的玻璃碎片，其中的较大块玻璃碎片I－1由于框架的保护作用仍保持在原来的位置上，而较小块玻璃碎片I－2由于没有直接受到框架的保护而脱落。随着玻璃碎片I－2，I－3的脱落，以及玻璃碎片I－1上裂纹的进一步发展，形成了更多的不直接受到框架约束的“孤岛”，导致更多玻璃碎片逐渐脱落。此外，新裂纹发生时伴随应力的释放造成的震动，也使玻璃碎片I－1开裂后形成的II－1、II－2在失去周围小块玻璃碎片的约束后从框架上脱落。由此可见，框架的存在可以有效地延长玻璃碎片的脱落时间。背火面玻璃在550s脱落了2．5%，在564s脱落比例达到了25．8%。结合图7（b）可以发现，背火面玻璃首次脱落了小块玻璃碎片X－1，与之相邻的大块玻璃碎片X－2因为玻璃碎片X－1的脱落失去了一部分约束力，变得更易脱落。此外，X－2重心较高，X－1脱落时对其施加的作用力使X－2重心逐渐向玻璃原本所处竖直平面外偏移，虽受到框架的约束，但仍难以抵抗X－2自身重量产生的弯矩，最终从框架上脱落下来。而处于较下方的两块小的玻璃碎片X－3、X－4虽已形成“孤岛”，但重心较低，且受到框架约束，最终并未从框架上脱落。由此可见，即使存在框架的约束作用，玻璃开裂的形态导致玻璃碎片重心位置的不同，依然能够决定玻璃碎片的脱落与否。故玻璃碎片的脱落行为具有一定的随机性。

图7　上下水平遮蔽工况下两片玻璃随时间的脱落形态（实验编号E08）（其中虚线包围区域为玻璃脱落区域，各图中的I－1、X－3等编号表示当前位置的玻璃碎片）Fig．7 The fall－out morphology of the exposed glass and back glass under horizontal shaded condition vs time（Test E08）（the area surrounded by dotted line in the picture ndicates the fragment of glass has fallen out，I－1、X－3etc．represents the glass fragment in the current position）

2．6 向火面玻璃破裂及脱落对背火面玻璃的影响

E08实验中，在339s和401s，向火面玻璃有较大面积脱落，但是脱落位置没有对背火面玻璃正反面中心点上的TC3－1和TC4－1有较显著的直接影响，温度曲线随时间没有明显变化，如图8所示。在459s时刻，玻璃脱落区域靠近玻璃中心，所以温度曲线在459s时刻有个稍微比较明显的上升趋势。而在526s～537s时间段内，向火面玻璃的半边几乎全部脱落，直接裸露出背火面玻璃的中心区域，使得TC3－1直接受到火源的辐射作用，温度有了急剧的上升，最终导致背火面玻璃在550s破裂。

图8　向火面和背火面玻璃脱落比例随时间变化曲线（实验编号E08）Fig．8 Fall－out proportion of the exposed glass and back glass vs time（Test E08）

图9　上下水平遮蔽工况背火面玻璃上热电偶TC3－1 和TC4－1随时间的变化曲线（实验编号E08）（图中各虚线上的数字表示的是相对应于图7（a）中破裂或脱落的起始时刻Fig．9 Temperature measured by TC3－1and TC4－1 on the back glass vs time under horizontal shaded condition（Test E08）（the dotted line corresponds to the breakage or fall－out time in Fig．7（a））

3　结论

本研究共设计了11组实验来探究中空玻璃在不同安装方式下的火灾热响应，包括4组四边遮蔽，4组上下水平遮蔽和3组左右垂直遮蔽。本实验研究得出以下结论：

（1）这三种遮蔽方式中，四边遮蔽情况下中空玻璃向火面玻璃与背火面玻璃均未有脱落、发生，而且向火面玻璃首次破裂用时少于另外两种安装方式。

（2）虽然遮蔽方式发生变化，但是裂纹的起裂位置都位于玻璃的被遮蔽区域。玻璃首次起裂点均位于被遮蔽边上，且在［－0．25L，0．25L］的范围内。

（3）左右垂直遮蔽方式的玻璃比上下水平遮蔽更容易脱落。

（4）向火面玻璃的破裂和脱落直接影响到背火面玻璃所受的热载荷强度，因而对背火面玻璃的破裂具有较为显著的影响。

参考文献

［1］Emmons H．The needed fire science［A］．Fire Safety Science－Proceedings of the First International Symposium［C］，Hemisphere Publishing Corp．，Washington，DC，1986：33－53．

［2］Hassani SK，et al．An experimental investigation into the behaviour of glazing in enclosure fire［J］．Journal of Applied Fire Science，1994，4（4）：303－323．

［3］Shields T，et al．The behavior of double glazing in an enclosure fire［J］．Journal of Applied Fire Science，1997，7 （3）：267－286．

［4］Cuzzillo BR，Pagni PJ．Thermal breakage of double－pane glazing by fire［J］．Journal of Fire Protection Engineering，1998，9（1）：1－11．

［5］Joshi A，Pagni PJ．Fire－induced thermal fields in window glass．I—theory［J］．Fire Safety Journal，1994，22 （1）：25－43．［6］Pagni P，Joshi A．Glass breaking in fires［A］．Fire Safety Science－Proceedings of the Third International Symposium［C］，Routledge，1991：791－802．

［7］Shields J，et al．Behaviour of double glazing in corner fires［J］．Fire technology，2005，41（1）：37－65．

［8］Huizinga R．Influence of the performance of triple and double glazing on the fire development in a dwelling［D］．Eindhoven University of Technology，2012．

［9］Ni Z，et al．Experimental study on fire performance of double－skin glass facades［J］．Journal of Fire Sciences，2012，30（5）：457－472．

［10］黄春勇．中空玻璃的热工性能研究及其在住宅建筑上适用性分析［D］．重庆大学，2008．

［11］童树庭，冯晓云．中空玻璃的传热特性及其影响因素［J］．建筑材料学报，2004，7（1）：52－57．

Keyword：Hollow glass；Thermal load；Thermal response；Fracture；Shadowing mode

The fracture behavior of hollow glass under heating condition

SU Yanfei，WANG Qingsong，ZHAO Han，SHAO Guangzheng，WANG Yu，SUN Jinhua
（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Abstract：The thermal response and fracture behavior of hollow glass，which consists of two pieces of 6mm thickness glass plate and 6mm air spacing，were studied in this work．The surface temperatures of the exposed and back side of the hollow glass，heat flux at the center of the exposed side，the breaking time of two panes，the glass crack morphology and the fall－out proportion were measured and analyzed．The edge length of glass was defined as the scope of［－0．5L，0．5L］，then the first crack position of the two pieces of glass initiated in the range of［－0．25L，0．25L］at the edge of the glass．Moreover，the glass pane exposed to fire with four edges covered is the easiest mode to crack，and the fall－out proportion with vertical shaded is greater than that of horizontal shaded one under these experimental conditions．

通讯作者：王青松，E－mail：pinew＠ustc．edu．cn

作者简介：苏燕飞（1990－），男，中国科学技术大学安全科学与工程硕士研究生，主要研究方向为中空玻璃在火灾环境下的热响应。

基金项目：国家自然科学基金（资助号：51120165001）和国家重点基础研究发展计划（973计划）（资助号：2012CB719702）。

收稿日期：2014－10－16；修改日期：2014－11－21

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．01

文章编号：1004－5309（2015）(－)0001－08

文献标识码：A

中图分类号：X915．5